功率半導(dǎo)體是提高M(jìn)IPS/m2的關(guān)鍵

從電子郵件到網(wǎng)上購物，從社會(huì)化網(wǎng)絡(luò)到博彩，從VoIP電話到視頻點(diǎn)播，電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)通信和在線或可下載的娛樂都在近年內(nèi)呈指數(shù)增長。這種增長給電子系統(tǒng)（這些系統(tǒng)多處在安全數(shù)據(jù)中心中）帶來了不斷增加的要求，使這些系統(tǒng)全天24小時(shí)或全年365天不間斷地存儲(chǔ)、處理和傳輸最基本的數(shù)據(jù)。而要使這些系統(tǒng)高效地運(yùn)轉(zhuǎn)就存在著經(jīng)濟(jì)、立法和環(huán)境的巨大壓力。

一個(gè)“典型”的數(shù)據(jù)中心包括了服務(wù)器、存儲(chǔ)區(qū)網(wǎng)絡(luò)、路由器和交換機(jī)。過去，這些數(shù)據(jù)中心的表現(xiàn)主要由性能密度(MIPS/m2)參數(shù)來衡量。而現(xiàn)在，這種情況將因多種因素而改變。

首先，對(duì)于數(shù)據(jù)中心設(shè)備來說，生命周期內(nèi)的操作成本是初期投入的3倍。第二，由電能使用造成的環(huán)境沖擊正驅(qū)動(dòng)著增進(jìn)能效最大化的立法。第三，出于真實(shí)的考慮，沒有效率的提升，許多數(shù)據(jù)中心就不能應(yīng)對(duì)能源和基本附屬設(shè)施的需求增長。

其結(jié)果，我們要繼續(xù)提升的主要品質(zhì)因數(shù)就是執(zhí)行效率，或MIPS/W。而且，通過提高設(shè)備和基本附屬設(shè)施的效率，最新的功率半導(dǎo)體技術(shù)將在提升品質(zhì)因數(shù)中扮演一個(gè)重要角色。

數(shù)據(jù)中心的能耗

我們能明確數(shù)據(jù)中心的兩個(gè)能耗源。第一種是處理、存儲(chǔ)、交換和路由設(shè)備本身。第二種來自需要冷卻的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和對(duì)這些服務(wù)器、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、開關(guān)和路由的保護(hù)。每一種能量使用都是相當(dāng)?shù)模乙彩窍嚓P(guān)的。

設(shè)備能耗包含三個(gè)主要元素。像微處理器和內(nèi)存條之類的電子負(fù)載消耗了60%～70%的能量，電源消耗了25%～30%的能量，制冷消耗了5%。

當(dāng)在減輕負(fù)載（多核處理器和虛擬技術(shù)的引入）的能量狀態(tài)方面有顯著進(jìn)步時(shí)，工程師就有更多的機(jī)會(huì)來降低這些主要消耗源的能耗。例如，新的“智能電源”管理系統(tǒng)使用了對(duì)電源關(guān)鍵元件的聯(lián)合設(shè)計(jì)，讓關(guān)鍵部件都整合到了一個(gè)平臺(tái)中。這些電源系統(tǒng)都基于先進(jìn)功率半導(dǎo)體器件，其關(guān)鍵部件是高效和高密度能量轉(zhuǎn)換級(jí)，先進(jìn)的快速響應(yīng)電源控制器，可編程和診斷的數(shù)字接口，準(zhǔn)確的電源監(jiān)控，系統(tǒng)控制器和排序功能。

先進(jìn)的能量轉(zhuǎn)換級(jí)

相比與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，先進(jìn)的能量轉(zhuǎn)換級(jí)能減少1/3的功率損耗。圖1中的產(chǎn)品使用了業(yè)界領(lǐng)先的MOSFET技術(shù)。在圖中，具有高能量密度的半導(dǎo)體技術(shù)結(jié)合了先進(jìn)的封裝技術(shù)，而這種封裝技術(shù)具有幾乎為零的封裝電阻和電感，并可提供業(yè)界最低的工業(yè)熱阻抗。

圖1 先進(jìn)的MOSFET技術(shù)

同標(biāo)準(zhǔn)的塑料分立封裝相比，這些基準(zhǔn)MOSFET的金屬罐使雙面冷卻成為可能，能有效地使高頻率DC/DC降壓變換器的電流處理能力提高一倍。而電路板設(shè)計(jì)尺寸的縮減能有效地減少能量損失。當(dāng)驅(qū)動(dòng)IC與創(chuàng)新的控制方案連同高效MOSFET一起工作的時(shí)候，工程師能獲得最好的效率與電氣性能的結(jié)合。以處理器為例，使用這種技術(shù)能增加5%～6%的效率。

先進(jìn)電源系統(tǒng)

先進(jìn)電源系統(tǒng)對(duì)負(fù)載的功率耗散有更大的影響。高負(fù)載功率，像微處理器和內(nèi)存，會(huì)隨其所需性能和功能的快速變換而產(chǎn)生不可預(yù)知的能量狀態(tài)。在服務(wù)器的需要下，這些負(fù)載會(huì)超出它們自己的熱極限，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)性能上的回調(diào)來冷卻硅器件和封裝。而一旦有效地冷卻后，負(fù)載會(huì)再次增加，這就造成了一個(gè)無效的“停止、啟動(dòng)”的熱和功率循環(huán)。

允許高性能的硅器件進(jìn)入熱和功率循環(huán)將浪費(fèi)能量并犧牲性能。然而，通過動(dòng)態(tài)地監(jiān)視瞬間電能，記錄變化趨勢，理解負(fù)載的熱阻抗，將有可能使功率系統(tǒng)準(zhǔn)確地預(yù)計(jì)系統(tǒng)中任一點(diǎn)的熱量。有了這些信息，系統(tǒng)就能通過改變負(fù)載的電氣特性（比如動(dòng)態(tài)地改變核心電壓或降低時(shí)鐘速度）來限制其功耗并建立正確的冷卻條件。比如，采用能量效率提升后的變速運(yùn)動(dòng)控制，可確保負(fù)載不會(huì)離開它所需的隔熱層，優(yōu)化吞吐量，增強(qiáng)性能。這樣能降低總能耗的15%～20%。

應(yīng)用實(shí)例

我們可以通過現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的幾項(xiàng)新技術(shù)來說明最新的集成電源管理半導(dǎo)體技術(shù)所產(chǎn)生的影響。感謝它們的模塊性、低成本和小體積，其代表就是機(jī)架固定的“刀鋒服務(wù)器”。

通過增加機(jī)架容納性，高密度刀鋒數(shù)據(jù)處理器可以隨需要而增加能力。然而，最新服務(wù)器的主板上已經(jīng)能容納四個(gè)處理器了，它們的功率需求和散熱因此就變得同等重要。在實(shí)際中，數(shù)據(jù)中心經(jīng)常會(huì)留出空插槽以提供更好的冷卻，使系統(tǒng)保持在熱規(guī)格中。

幸運(yùn)的是，最新一代的功率半導(dǎo)體技術(shù)能幫助工程師處理這個(gè)問題。文章中將介紹兩種方法來降低刀鋒服務(wù)器的總功耗。這樣就減少了冷卻需求，進(jìn)而增加機(jī)架中的刀鋒服務(wù)器密度。

第一種方法是讓工程師開發(fā)高效率的在板電源。將近80%的功率通過在板電源進(jìn)入服務(wù)器的，因此電源效率對(duì)系統(tǒng)效率有巨大的影響。大量的能量消耗在處理器和內(nèi)存上。舉例來說，一個(gè)典型的高效率微處理器能消耗130A（在 1.1V條件下）或146W。今天，一個(gè)在板電源有80%的效率和20%的損耗是很正常的。

隨著先進(jìn)的功率控制和轉(zhuǎn)換技術(shù)，比如國際整流器公司（International Rectifier）的XPhase可升級(jí)多相位結(jié)構(gòu)（見圖2）和DirectFET MOSFET，可將系統(tǒng)的總效率增加至88%以上，能減少40%的系統(tǒng)功耗。國際整流器公司還開發(fā)一系列的精確實(shí)時(shí)功率監(jiān)控IC。該產(chǎn)品能促進(jìn)工程師設(shè)計(jì)出可降低動(dòng)態(tài)能量損失的刀鋒服務(wù)器。

圖2 國際整流器公司的多相位控制器

結(jié)論

使用上述先進(jìn)功率半導(dǎo)體技術(shù)的成本會(huì)低于節(jié)省出的成本。此外，這些方法還有第二個(gè)好處。例如，因?yàn)樯嵘伲寮?jí)的風(fēng)扇就會(huì)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣可節(jié)省能量并降低噪聲。實(shí)際上，采用優(yōu)化的集成了高級(jí)功率轉(zhuǎn)換、準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)功率監(jiān)控和高性能功率控制器的電源管理系統(tǒng)最短可在三年內(nèi)降低數(shù)據(jù)處理中心25%的能量損耗。